粉體混合物的加工通常會面臨諸多的挑戰：部分粉體在加工過程中流動性較差，混合物容易分層或團聚成塊，影響混合的均勻性。因此各行各業廣泛運用造粒改善這一問題，造粒是將多種不同的成分混合加工成自由流動、均勻的中間體，供下游加工使用。通常采用濕法造粒，得到濕顆粒后進一步干燥、研磨。過程耗時且昂貴，并且某些API易熱降解，難以造粒。
干法造粒能夠減少加工工序、降低整體成本，具有巨大的優勢，并且可用于熱敏感材料。難以確定哪些工藝參數能夠取得好的質量，實現連續化生產并獲得高質量的產品。因此，大多數設備供應商和制藥公司只能憑借經驗和測試結果確定合適的參數。
本案例為英國富瑞曼科技和
Gerteis Maschinen+
Processengineering AG
的共同研究，探尋工藝參數如何影響對照品干燥顆粒的屬性。
FT4 粉體流變儀™
(英國富瑞曼科技)
MINI-PACTOR®輥壓機
(瑞士Gerteis Maschinen+
Processengineering AG)
實驗方法
對照品使用70% 乳糖、29.5% 微晶纖維素和0.5% 硬脂酸鎂通過Gerteis MINI-PACTOR® 輥壓機造粒而成，其中壓輥間距、擠壓力和壓輥速度可根據篩網尺寸調整。得到的干燥顆粒使用英國富瑞曼科技 FT4 粉體流變儀™進行評估，量化動態、整體和剪切屬性。
擠壓力的影響
MINI-PACTOR® 采用不同的擠壓力處理六批相同的原料：
壓輥間距保持在3 mm，壓輥速度為2.5 RPM，篩網尺寸為1 mm。得到的六批顆粒隨后使用FT4 粉體流變儀™進行評估，研究擠壓力對顆粒屬性的影響。
預處理后的松裝密度和可壓性
根據結果觀察，干顆粒預處理后的松裝密度 (CBD) 和可壓性與擠壓力為線性關系，擠壓力越大，CBD越大，可壓縮程度越小。
擠壓力越大，得到的顆粒越均勻，內部能夠更高效地排列。這種高效堆積性能能夠降低孔隙，提高松裝密度，顆粒受應力作用可移動的空間減少。
透氣性
根據結果觀察，透氣性和擠壓力之間存在相關性，擠壓力越大，透氣性越好。
如果使用較大的擠壓力生成顆粒，獲得更耐壓的粉體。也就是說，當粉體受到外部應力時，可以維持顆粒間通道，以便空氣自由流通。
結果顯示擠壓力與松裝密度、透氣性和可壓性之間存在直接的相關性。隨著擠壓力增大，可壓性降低，透氣性和松裝密度增大。這些屬性都是高效堆積的標志，自由流動的材料通常具有此類的特性。
與動態流動和整體數據相比，剪切特性幾乎無影響，測試結果顯示樣品之間幾乎不存在差異，并且壁面摩擦角和擠壓力之間不具有相關性。剪切盒主要評估連續、粘性粉體在高應力條件下開始流動的情況，因此與動態、低應力過程無關也是合理的。
壓輥間距的影響
MINI-PACTOR®采用不同的壓輥間距處理六批相同原料：
擠壓力保持在4.5 kN/cm，壓輥速度為2.5 RPM，篩網尺寸為1 mm。得到的六批顆粒隨后使用FT4 粉體流變儀™進行評估，研究壓輥間距對顆粒屬性的影響。
預處理后的松裝密度
顆粒松裝密度隨壓輥間距的增大而減小，這表示間距越大，所得顆粒的一致性越差，粒徑分布較寬。粒徑分布較寬的材料通常堆積效率較低，易于夾帶空氣，松裝密度降低。
固結指數和透氣性
根據結果觀察，固結指數和透氣性與壓輥間距之間存在一定的關系，壓輥間距越大，對振動固結越敏感，透氣性也越低。
這也證明如果壓輥間距較大，顆粒粒徑分布較寬，導致內部重排，堆積不均勻，內部夾帶較多的空氣。受到振動作用時，顆粒重新排列，堆積成更有效排列的結構，排出空氣，流動能明顯增大。此外，如果堆積結構不均勻，無法構建穩定的空氣通道，可能致使透氣性降低。
隨著壓輥間距增大，壓輥之間形成的固結部分不一致，得到的顆粒也不均勻。很可能導致顆粒粒徑分布、形狀和表面結構出現較大的差異，終顆粒的堆積效率降低 (得到高固結指數、低透氣性和低松裝密度的結果)。
擠壓力和壓輥間距的變化
使用不同的擠壓力和壓輥間距得到九批相同原料的干顆粒，與僅改變壓輥間距或擠壓力的結果比較，考察是否遵循相似的變化趨勢。
預處理后的松裝密度和可壓性
與4.5 kN/cm擠壓力相比，使用9 kN/cm擠壓力在不同壓輥間距下生成的顆粒松裝密度更大，可壓性更低，與初結果吻合。比較4.5 kN/cm和9 kN/cm的擠壓力下，壓輥間距和松裝密度之間的線性關系，表明壓輥間距和松裝密度之間的關系與擠壓力無關。但壓輥間距和可壓性之間的關系并非獨立于擠壓力。在9 kN/cm擠壓力的作用下，可壓性隨壓輥間距的增大而急劇上升，說明在較大的擠壓力下，壓輥間距對顆粒屬性的影響更明顯。
透氣性
與4.5 kN/cm擠壓力相比，使用9 kN/cm擠壓力下生成的顆粒透氣性更好，表明較高的擠壓力下，生成顆粒內部排列更均勻，透氣性更好。這一結果也驗證了之前觀察到的壓輥間距與透氣性之間的關系，但在較大的擠壓力下，曲線的斜率更大，進一步證實了高擠壓力下壓輥間距對顆粒屬性具有更大的影響。
結論
“質量源于設計”的理念要求充分理解材料和加工過程之間的關系，以便能夠控制和優化工藝性能，確保終產品的質量。以上結果證明，我們可以通過確認關鍵工藝參數優化輥壓造粒的過程，生成顆粒的特性會直接影響下游操作性能和終產品的關鍵質量屬性。
根據觀察，FT4測得的流動特性存在明確、可重復的趨勢，展示了工藝參數如何對顆粒流變特性產生可預見性的影響。樣品的透氣性、可壓性和預處理松裝密度與輥壓機的運行模式存在明顯的相關性，總之，較小的壓輥間距配合較大的擠壓力能夠產生更均勻、一致的顆粒，形成更高效堆積的粉體，促使其自由流動。
該研究展示了粉體流變學在全面、多變量粉體特性表征方法中的價值。流動性并非材料的基本屬性，它反映的是多種屬性對于粉體在特定設備中整體表現的影響。某些屬性的微小差異可能導致工藝性能發生顯著的變化，這意味著需要采用多種特性表征方法，所得出的結果能夠與過程評價相關聯，從而獲得對應于可接受的工藝特性的參數設計空間。
共同作者
感謝我們的合作伙伴Hartmut Vom Bey和Michael Hanisch，更多信息請訪問Gerteis Maschinen+Processengineering AG。
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